图1
收稿日期:2002-03-15
作者简介:李添(19-),男,工程师,从事水利水电管理及技术工作。
浆砌石溢流坝基础掏刷的受力分析
李 添1,陈海新2
(11广州市水利局,广东广州 5100;21广东省水利水电科学研究院,广东广州 510610)
摘 要:就某溢流坝的受力及裂缝出现情况进行了全面的分析计算,利用地基强度理论及刚性板受力分析理论,对溢流坝下游掏刷情况及为什么会出现裂缝以及裂缝出现部位从理论上进行了计算,计算结果与现场裂缝情况相符。关键词:
中图分类号:T V65211 文献标识码:B 文章编号:1008-0112-(2002)06-0021-04
1 概况
某浆砌石硬壳溢流坝,坝全长约130m 。该坝于1970年建成,建成后坝顶高程为34.6m ,坝宽18m ,坝基建于粗砂河床上,粗砂层以下为基岩,基岩面高程17.5m 。上、下游齿墙为
150#砼,齿墙底部高程为24.0m 。齿墙下均采用直径16～14cm
木桩,桩中心距为60cm ,呈梅花形布置,桩长为2.5～3.0m 。坝体尺寸详见图1。
由该坝上、下游水位实测资料显示,在上、下游水位差较大时,水头差见表1。
表1
时段上游水位/m
下游水位/m
水头差/m
枯水期34102710710中水期34173271427131高水期371353117151最高水位
40193
38149
2144
该坝经多年运行使用,现坝下游冲刷严重,坝脚局部淘空至齿墙底高程24.0m 以下。坝体内部有局部掏空,掏空部位见
图2。
此外,坝底局部发现渗漏现象,上游铺盖出现局部塌窝。坝面可见多条纵裂缝,裂缝平面位置见图3。
2 坝体受力及沉降、基础强度计算2.1 坝体稳定(抗滑)
按中水期水位(上游34.7m ,下游27.4m ),粗砂内摩擦角φ
=40°,容重γ砂=2.0t/m 3,浆(干)砌石γ=2.2t/m 3
计算(自重
计算至高程24.0m 处,按单位1m 宽计):
坝体总重:W =293t
水平水压力:T =0.5×10.72-0.5×3.42=51.5t
总扬压力:F =
10.7+3.4
2
×18=126.9t 不计上、下游齿墙后被动土压力:
坝体总抗滑N =(293-126.9)tg40°=139.4t 抗滑安全系数为:
k =
N T =139.4
51.5
=2.7坝体抗滑是安全的。
2.2 坝基反力分布
坝基土层为粗砂层,其下为基岩,基岩面高程为17.5m 左右,为此,当溢流坝在上游水位34.7m ,下游水位27.4m 时,在
第6期2002年12月 广东水利水电G UANG DONG W ATER RES OURCES AND HY DROPOWER
N o.6
DEC 2002
坝体自重,水平水压力,浮托力等外力作用下,坝体会产生沉降并对坝基土体产生压力。坝基土体受力及沉降计算采用刚性板基础沉降及受力模型进行计算。计算高程为28m ,各荷载及木
桩,土弹簧分布见图4。其中,因取高程28.0m 作为基础底部,则上、下游齿墙4m 深砼可认为无压缩并简化为齿墙底部的岩层升高4m 。砂土层的变形模量E 土取为40MPa
。
弹簧刚度K i 的计算:
在上、下游齿墙下有木桩支承,按木桩<14、长3m ,中心距
60cm ,弹性模量E 木=9000MPa 。其中齿墙下3m 深度内为土、
桩弹簧的共同受力。为此,按每平方米各占面积加权平均可得出土、桩共同受力的变形模量E 。
S =0.142
4π×10.6×0.6≈0.043(m 2)E =S ・E 木+(1-S )E 土=0.043×9000+0.957×40=425MPa
弹簧刚度K i :
K i =∑
A i E i αi H i
(1)
2.2.2 当下游齿墙部位砂层被冲刷时,向内掏空4.5m远时,其溢流堰基底的受力及沉降分布见图6。
由图5、图6有,下游齿墙部位压应力由P=8t/m2变化至P=10t/m2,沉降量仅变化0.1cm左右。
在P=10t/m2的压力下,每条木桩承受的垂直荷载为:
(不计土体受力,每平方米面积按3条木桩计算):P
3
(t/条)即:每条木桩承受的荷载为P/3=3.3t。
2.3 木桩桩基强度
取砂层的φ=40°,按地基强度计算公式有:
Pλ=Aλ・γ・2a+Bλ・γ+Dλ・c(2)式中 λ———危险度,λ=0时为弹性阶段;λ=1时为地基的强极限;γ———土体容重;2a———基础宽度;h———埋深;
c———凝聚力。
即:γ=1.2t/m3,2a=0.14m,c=0;Aλ、Bλ、Dλ为φ与λ的函数。
当φ=40°,λ=0.2时,查表有:Aλ=7.,Bλ=17.25,Dλ= 19.36
λ=1.0时,查表有:Aλ=38.2,Bλ=.2,Dλ=75.31,代入式(2):当h=0时,Pλ=0.2=7.×1.2×0.14+0+0=1.28t/m2
Pλ=1.0=38.2×1.2×0.14+0+0=6.4t/m2
当h=2.0时,Pλ=0.2=7.×1.2×0.14+17.25+1.2×1+0=22t/m2
Pλ=1.0=38.2×1.2×0.14+.2×1.2×2.0+0=160.5 t/m2
由上式计算结果可知:
当木桩底部无埋深h=0时,每条桩极限承载力为6.4×0.082×π=0.13t,小于上部荷载对桩的压力3.3t。
当木桩底部埋深h=2时,每条桩可承受160.5×0.082×π=3.2t的荷载。
该溢流坝下游冲刷实测资料显示,1991年10月测得下游齿墙木桩部位冲刷较严重段的砂土顶面高程为23m,即木桩埋深在1.5～2m。由以上地基强度计算可知,木桩在埋深2m时,极限承载力为3.2t/根。由此说明,现阶段木桩的桩基强度已达到极限情况下,下游齿墙木桩部位冲刷严重的地方应进行加固处理。
3 溢流坝强度计算
当溢流坝在上、下游齿墙支承于木桩上,且下游齿墙向内掏进4.5m,基底压力变化不大。但由该溢流坝断面可知,坝身主要为2.5m厚的浆砌石建成,最大承受剪力部位为上、下游齿墙内侧,该处坝厚2.5m,按50#浆砌石的抗剪强度[τ]=16t/m2,该断面最大允许抗剪力为Q=16×2.5=40t/m。
在两齿墙之间坝身自重及基底反力的共同作用下,可计算出下游齿墙内侧承受的剪切力Q p。由图5、图6地基反力分布及A、B两点间坝体自重可计算出A、B两点的剪力值
。
即:当下游齿墙下砂层无掏空时,∑M A=0有:
Q B=
1
11.5
[(8.7×0.3+49.2×4.23+60×6.05)-(1.7×
3.5×1.75+1.9×3.5×5.25+2.1×1.5×7.75+2.2×1.5×
9.25+2.4×1.5×10.75]=
1
11.5
(573.73-139)=37.8t/m
当下游齿墙下砂层被冲刷且向内掏进4.5m时,其下游齿墙内侧剪力为:
Q B=
1
11.5
[573.73×(2.0×3.5×1.75+2.2×3.5×5.25)]
=
1
11.5
(573.73-52.7)=45.3t/m
按此计算可得出不同掏深时下游齿墙的剪力Q B(按图5所
示各区基底压力分布计算)有:
当下游齿墙内侧被掏空1.5m时:
Q B=
1
11.5
[573.73-(10.4+34.9+24.4+30.53)]=41t/m
当下游齿墙内侧被掏空3.0m时:
Q B=
1
11.5
[573.73-(10.4+34.9+24.4)]=43.8t/m
由此说明,当下游齿墙内侧砂层被向内掏空1.5m以上时,
坝身会因自身的抗剪力小于掏空引起的剪切力而产生断裂(剪
坏)出现裂缝(沿坝轴线方向分布)。
上游齿墙内侧因堰身断面厚度为6.6m,其抗剪强度足够
而不产生破坏,但会因下游齿墙内侧的剪切破坏使坝身发生沉
降而在上游齿墙部位(坝顶)沿坝轴线方向产生裂缝(拉裂)。
4 结语
4.1 因坝下游的冲刷掏空至使下游齿墙基础砂层被掏空,但由
于木桩的作用,只要木桩桩端埋深在2.0m以上,坝基础是安全
的。
4.2 下游齿墙掏空部位深入至齿墙内1.5m以上时,坝面会出
现剪切破坏裂缝。
胡进民等:浅谈城市河涌整治中的水环境问题
因此,在石井河整治与截污工程完成以后,如何保证石井河河涌内有足够的水位便成了一个必须解决的难题。
3.1 实施白海面引水方案
石井河上游白海面流域集雨面积56.5km2,其范围内有白云区的两座小(一)型水库:磨刀坑水库,集雨面积9.5km2,总库容668万m3,有效库容505万m3;红路水库,集雨面积1.8km2,总库容139万m3,有效库容108万m3。
白海面截洪渠解决了石井河上游白海面的排涝问题,但截断了石井河上游来水,使石井河的自然生态平衡受到影响。因此,实施白海面引水,增加石井河流量是解决石井河水量问题的一个重要方案。
实施白海面引水,第一,疏浚白海面上游河道;第二,对白海面现有两座水闸进行改造:加固加高白海面拦河闸,以抬高水位引水入石井河,改建白海面灌溉引水闸,保证引水入石井河。
为了不破坏白海面截洪渠的防洪功能,保证防洪安全,必须加高加固白海面两岸堤围;同时,加强对两座水闸的管理运作:平时关闭白海面拦河闸,打开白海面灌溉引水闸,让上游来水流入石井河;洪水期间,则及时打开白海面拦河闸,让洪水仍旧直排流溪河。
3.2 设置河道梯级拦河闸
实施白海面引水以后仍无法完全解决石井河水量问题,这是因为第一,枯水季节上游来水非常有限;第二,沿河两岸有不断增长的灌溉、工业用水需求,尤其是石井河上游两岸灌溉用水,基本上都是直接从石井河取水,因此,利用石井河属珠江三角洲的感潮河道的特性,在河道设置梯级拦河闸,增加河道蓄水是一个实际可行的方案。
3.2.1 改建夏茅拦河闸
现有夏茅水闸位于石井河中上游,距河口约12km。石井河潮水最远可以回溯到上游均和桥处(距河口约16km)。改建现有夏茅水闸后,涨潮高潮时开闸放水,退潮时闭闸蓄水;平时则用来拦蓄上游白海面来水。该方案可以有效地解决石井河截污后上游河道的水位问题,缓解石井河夏茅拦河闸以上地区的农田灌溉与工业用水的紧张状况。
3.2.2 在石井河增步河口修建大型拦河挡潮闸
其运作原理与夏茅拦河闸类似,涨潮时开闸放水,退潮时闭闸蓄水。该闸除蓄水功能以外,还可以起到以下两方面的作用,其一是防洪,汛期可以利用河口挡潮闸防止珠江洪潮水倒灌,减轻石井河中下游地区的防汛压力;其二是换水,涨潮时开闸放水,退潮时闭闸蓄水,待潮水退尽时再开闸放水,待涨潮时再开闸蓄水。该操作方案可以起到定期更换石井河内河河水的作用,对改善石井河水质亦有一定效果。
在增步河口修建拦河挡潮闸除工程投资问题以外,还必须全面考虑河道航运问题。石井河从河口至石井桥(距河口10 km)段为广东省7级航道,修建拦河闸时必须配套相应的船闸,保证河道的航运功能。因此,工程在规划论证时必须详细考虑拦河挡潮闸的管理运作。
4 结语
石井河整治工程自2001年2月开工至今,河道整治与截污在各有关部门的协调配合下正在同步顺利进行。白海面引水方案与河道设置梯级拦河闸方案也在规划论证之中。要尽早实现石井河“水净河清”的目标,除了工程措施以外,其他非工程措施如增强环保节水意识、搬迁或关闭沿河两岸污染严重的工厂企业、推广节水灌溉高效农业、加强对河涌的清淤与日常保洁等也非常重要。下载本文
